Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор опубликованных работ по гомогенизации эмульсий 12
1.1 Связь явлений дробления и гомогенизации 12
1.2 Анализ механизмов разрушения частиц жидкости 14
1.3 Обзор устройств для гомогенизации эмульсий 25
1А Предпосылки создания импульсного гомогенизатора 30
1.5 Задачи диссертации, последовательность исследований и приме няемые методы 30
2. Экспериментальные исследования молока как объекта гомогенизации 34
2.1 Измерения характеристик дисперсности частиц жира до и после гомогенизации 34
2.2 Статистическая обработка результатов экспериментального исследования размеров частиц в молоке 42
2.3 Оценки гомогенизации эмульсии в зависимости от степени дробления частиц 52
3 Теоретическое исследование механизма дробления частиц возмущениями дисперсионной среды 57
3.1 Модель дробления жировых частиц возмущениями окружающей среды 57
3.2 Расчет дробления частиц возмущениями 66
4 Экспериментальные исследования дробления капель возмущениям среды 76
4.1 Методика экспериментов 76
4.2 Исследования механизма гомогенизации ударными возмущениями 79
4.3 Исследования механизма дробления капель в водной среде ультразвуковыми возмущениями 86
4.4 Исследования взаимодействия капель с возмущениями малой интенсивности 89
5 Создание импульсного гомогенизатора молока 93
5.1 Методика разработки устройств для гомогенизации молока 93
5.2 Разработка импульсного гомогенизатора молока 95
5.3 Экспериментальные исследования созданного гомогенизатора 98
5.4 Экспериментальная проверка импульсного гомогенизатора с пневматическим приводом 103
5.5 Обработка и сравнительный анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований 108
Общие выводы 113
Используемая литература 116
Приложение А
- Анализ механизмов разрушения частиц жидкости
- Статистическая обработка результатов экспериментального исследования размеров частиц в молоке
- Расчет дробления частиц возмущениями
- Исследования механизма гомогенизации ударными возмущениями
Введение к работе
Актуальность исследования. Современный этап развития общества связан с повышенным воздействием на организм человека неблагоприятных экологических условий, вредных факторов производства и нервно-эмоционального напряжения. Профилактика этих негативных воздействий характеризуется возрастающим применением в пищевой промышленности сложных процессов переработки сырья, базирующихся на использовании достижений науки и техники, новых технологий производства комбинированных продуктов с высокой пищевой и биологической ценностью. Новые продукты получают, в частности, использованием в рецептурах молочных продуктов немолочных белковых, жировых, минеральных и витаминных компонентов, а также естественных и синтетических коррективов физико-химических и органолепти-ческих свойств продуктов [1-28]. Процесс приготовления однородных по составу композиций из дисперсных материалов путем их гомогенизации в аппаратах различного типа широко используется в пищевой и других отраслях промышленности [29]. В связи с развитием технологий применяющих гомогенизированные компоненты, предъявляются повышенные требования к дисперсности конечного продукта [30-32]. Основной технической проблемой получения тонкодисперсных эмульсий является ограниченность возможностей гомогенизаторов. Поэтому создание устройств и способов получения тонкодисперсных эмульсий с возможностью варьирования дисперсности и высокой производительностью имеет повышенную актуальность.
Проблема уменьшения частиц дисперсных фаз до размеров менее 0,3 мкм приобретает еще большую остроту в связи с опубликованными исследованиями механизмов усвоения жира организмом человека [33-35]. Пищеварение и абсорбция пищевого жира происходит в тонком кишечнике. Подготовительные процессы пищеварения, связанные с механической деятельностью желудка и микробиологическими процессами, направлены в основном на измельчение по-
ступающих продуктов питания. В процессе усвоения жира образуются хило-микроны, которые представляют собой сложные по составу и строению частицы естественной жировой эмульсии, включающие в себя водонерастворимый жир и вещества, понижающие гидрофобность жира. Они осуществляют транспорт жиров в кровоток и таким образом участвуют в парентеральном питании. Такая естественная эмульсия характеризуется хорошей стабильностью и имеет средней диаметр частиц хиломикронов около 150...400 нм и диапазон разброса размеров от 30 до 1000 нм. В связи с этим искусственные жировые эмульсии должны обладать теми же физическими и химическими свойствами, что и хи-ломикроны, образованные в клетках слизистой кишечника и транспортируемые в вены.
При создании смесей для детского питания также реализуется комплексный биотехнологический подход к повышению их метаболической функциональности путем уменьшения размеров частиц дисперсных фаз и приближения их к аналогичным показателям женского молока [13-18, 35]. Большое значение при этом необходимо придавать составу полученных сложных систем, количественному содержанию и распределению компонентов, так как каждый отдельно взятый компонент может существенно влиять на качество готового продукта. В этой связи необходимо измельчать жировые включения молочных смесей для детского питания до размеров менее 0,5 мкм, так как жировые частицы женского молока имеют именно такие размеры.
Гомогенизация способствует улучшению вкусовых характеристик продуктов, так как с уменьшением размеров частиц дисперсных фаз увеличивается суммарная площадь их поверхности. В результате их воздействие на вкусовые рецепторы становится более полным и длительным и приводит к усилению вкусового восприятия [28-30]. Таким образом, для улучшения вкусовых характеристик продуктов неограниченное уменьшение размеров диспергируемых частиц также актуально.
Одной из качественных характеристик эмульсий является стабильность во времени. Разделение эмульсий на фазы вызвано всплыванием более легких частиц. Формула С. Стокса, приведенная в [1], связывающая размеры дисперсных частиц и скорость их всплывания, свидетельствует о целесообразности неограниченного уменьшения размеров частиц дисперсной фазы с целью повышения устойчивости эмульсий. Повышение стабильности эмульсий, в частности молока, также позволяет избежать заметных потерь жира при его транспортировании и хранении в связи с тем, что с течением времени происходит разделение фаз отстаиванием и в результате некоторое количество жира теряется с потребительской тарой [29, 30].
Таким образом, неограниченное уменьшение размеров частиц дисперсной фазы эмульсий всегда было и остается актуальным, но сдерживается техническими возможностями гомогенизаторов.
Задача уменьшения размеров частиц дисперсной фазы до настоящего времени решалась, в основном, традиционными методами. Для этого изменяются конструктивные параметры клапанных гомогенизаторов, в частности уменьшается высота гомогенизирующей микрощели путем деформационного сближения микронеровностей контактирующих поверхностей [33]. Такой же эффект дает ультразвуковое диспергирование при повышенных интенсивностях воздействия. Однако, оно не нашло широкого применения в молочной промышленности из-за повышенных энергозатрат [36].
Большое количество работ направлено на уменьшение размеров диспергируемых частиц дисперсной фазы путем совершенствования существующего оборудования для гомогенизации. Однако, технические и технологические решения по совершенствованию гомогенизаторов достигли своего предела.
В этой ситуации можно сделать вывод, что дальнейшее совершенствование оборудования для гомогенизации возможно только на основе изучения ее механизмов, и отбора тех из них, при которых возможно создание гомогениза-
тора нового типа, обеспечивающего дробление частиц до размеров менее 0,7...0,3 мкм.
Цель настоящего исследования - разработка импульсного гомогенизатора на основе исследований дробления жировых шариков молока.
Анализ ретроспективы развития предметной области показывает, что исследованиям по данной тематике посвящено большое количество работ. Вопросы гомогенизации исследовались в Институте биофизики клетки РАН (Карповым В.В.) [33, 34], в Санкт-Петербургском государственном университете низкотемпературных и пищевых технологий (Фроловым СВ., Арсеньевой Т.П, Куцаковым В.Е. и другими) [31] при разработке представлений о механизмах дробления частиц дисперсной фазы эмульсий.
Ближе всего к теме диссертации относятся работы, обобщающие теоретические основы диспергирования жидкости, его экспериментальное исследование и практическую реализацию, выполненные Барановским Н.В (Московский технологический институт мясной и молочной промышленности) [37] и проведенные непосредственно и под руководством профессора Дитякина Ю.Ф. (Центральный институт авиационного моторостроения, г.Москва) [38]. Огромный вклад в изучение диспергирования жидкости внесли: Вайткус В.В., Грановский В.Я., Фофанов Ю.Ф., Мухин А.А., Кузьмин Ю.Н.,. Гисин И.Б., Ам-брамзон В.В., Степанов В.М., Сафиулин Р.Г., Прошин А. Ю. и др. [29,30, 39-44].
Объектом исследования являются импульсные гомогенизаторы молока, а предметом - процессы или механизмы как комплексы процессов дробления частиц дисперсной фазы.
Научная новизна и теоретическая значимость результатов диссертационного исследования.
Выявлены и обобщены известные представления о дроблении жидких капель в газообразной среде и распространены на процессы их дробления в составе эмульсий, в частности молока.
Установлено, что в составе эмульсий действует только один из известных механизмов дробления, а именно - срыв с поверхности частиц мелких частичек дисперсионной средой при возникновении возмущений в ней.
Разработана математическая модель процесса дробления, основанная на расчетах относительных скоростей движения жировых шариков и окружающей среды и вычисления по ним критерия Вебера.
Разработаны алгоритм и программное обеспечение расчетов дробления
Показано, что достигнутый современными техническими средствами предел, соответствующий размерам частиц 0,7...0,3 мкм, может быть преодолен только использованием принципиально новых устройств, например импульсными гомогенизаторами создающими ударные возмущения в гомогенизируемой среде интенсивностью 0,5.. .2 МПа.
Разработаны конструктивные варианты устройства импульсных гомогенизаторов.
Для оценок степени гомогенизации среды предложено использовать дисперсию массовой концентрации частиц дисперсной фазы в элементах объема дисперсионной среды, имеющих априорно заданные размеры (масштабы).
Практическую ценность работы составляют:
новая технология гомогенизации, обеспечивающая дробление жировых шариков молока до размеров, меньших уровня, достигнутого современными средствами;
импульсный гомогенизатор, обеспечивающий более мелкое дробление жировых шариков молока;
новый способ управления размерами жировых шариков молока, получаемых воздействием на них ударных импульсов в импульсном гомогенизаторе;
программное обеспечение и результаты расчетов дробления жировых шариков молока возмущениями давления и скорости дисперсионной среды различных форм и параметров;
результаты исследований механизмов дробления частиц, используемые в учебном процессе.
реализация комплекса методик разработки импульсных гомогенизаторов, явившихся основой для документов: «Инструкции по обеспечению способа управления размерами жировых шариков молока, получаемых воздействием на них ударных импульсов в импульсном гомогенизаторе», «Рекомендации по использованию импульсного гомогенизатора для повышения степени диспергирования жировых частиц молока».
Автор защищает:
Модели механизмов дробления жировых шариков в молоке при различных характеристиках возмущений дисперсионной среды.
Математическую модель дробления.
Технологию гомогенизации молока, обеспечивающую дробление жировых шариков до размеров, меньших 0,7.. .0,3 мкм.
Принципиальное конструктивное устройство импульсного гомогенизатора молока, с использованием которого реализуется предложенная технология гомогенизации.
Научные положения, выносимые на защиту, обладают новизной и разработаны автором самостоятельно.
Основные результаты диссертационной работы реализованы:
- в НИР «Импульсный гомогенизатор»;
в ОКР в НИИлегмаш г. Орел «Гомогенизатор», в результате которой создана конструкция импульсного гомогенизатора;
при формулировке и оценке характеристик гомогенизации с помощью импульсного гомогенизатора при его внедрении в ОАО Молочный комбинат «Орловский»;
при проведении лабораторной работы по гомогенизации молока на специально созданной лабораторной установке при использовании специально разработанной методики экспериментов в учебном процессе;
в образовательном процессе, при чтении лекций по разделу «Гомогенизация» по дисциплине «Процессы и аппараты пищевых производств». Результаты внедрения подтверждены соответствующими актами.
Достоверность и обоснованность основных положений и выводов исследования достигнута за счет системности рассмотрения всех вопросов предмета исследования; непротиворечивостью и воспроизводимостью результатов, полученных теоретическим путем; сочетанием формальных и неформальных методов исследования; использованием методов, адекватных природе изучавшихся процессов и явлений; обобщением накопленного опыта работы по созданию новых продуктов и аппаратов; достаточно полного учета многократно проверенных, в том числе и на практике, исходных данных; верификацией отдельных результатов в рамках известных теоретических конструкций, широко используемых в теории гомогенизации.
Математическое обеспечение проведенного исследования опирается на прикладные аспекты теории гомогенизации, математической статистики, теорию операций и системного анализа, теорию прогнозирования и принятия решений, аналитическое и имитационное моделирование. В методах обработки статистики, помимо вероятностных походов, применяются методы теории анализа данных.
Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на конференциях и симпозиуме, в том числе: 1-ой Международной научно-практической конференции «Проблемы здорового питания» (Орел, 1998г); П-ой и Ш-ей Международных научно-практических конференциях «Продовольственный рынок и проблемы здорового питания»; Международном симпозиуме «Машины ударного действия», Международном конгрессе «Актуальные проблемы механики сплошных и сыпучих сред» (Москва, 2001г.); ежегодных научно-технических конференциях преподавателей, сотрудников и аспирантов (Орел, 1997-200ІГ.).
Публикации. По результатам диссертационных исследований опубликованы: 2 статьи в центральных издательствах, 7 тезисов докладов на научных международных симпозиумах и конференциях, 2 отчета по научно-исследовательским работам, получено положительное решение по заявке на изобретение.
Структура и объем работы. Структура диссертации соответствует логике научного исследования и включает в себя введение, пять глав, заключение, список литературы, приложения. Основной текст изложен на 126 страницах машинописного текста, приложение на 9 страницах. Список литературы включает 111 наименований.
Анализ механизмов разрушения частиц жидкости
В опубликованных работах [3744] механизмы гомогенизации эмульсий связывают со следующими физическими явлениями:- вытягиванием частиц дисперсной фазы и их дроблением в результате действия градиента скорости (клапанной гомогенизатор);- разрывом жидких частиц дисперсной фазы за счет относительной скорости подвижных и неподвижных частей;- дроблением в результате истирания; - дроблением частиц, обусловленным воздействием возмущений среды. Основными видами возмущений среды считают:- кавитационные мелкомасштабные ударные;- ультразвуковые;
Выдвигалось множество различных предположений о физическом механизме процесса гомогенизации при дроблении частиц в клапанных гомогенизаторах [29, 31-34, 37, 40, 41].
Определенную ясность в вопрос о механизме гомогенизации в клапанной щели внес Барановский Н.В., который изучал работу гомогенизатора клапанного типа при гомогенизации молока [37].
Согласно теории Барановского Н.В. интенсивное дробление частиц дисперсной фазы в клапанных гомогенизаторах происходит за счет их вытягивания в нити и разрыва этих нитей на части при ускорении потока жидкости на входе в клапанную щель. Вытягивание сферических образований в нитеобразные определяется тем, что ускорение потока распределено вдоль направления движения. Фронтальные элементы образований раньше тыльных их частей подвергаются ускорению и более длительное время пребывают под воздействием повышенных скоростей движения. В результате сферические частицы удлиняются. При малой разности скоростей фронтальных и тыльных частей частицы происходит только ее деформирование. Чем выше разность скоростей, тем интенсивнее частица вытягивается в нить, тем тоньше эта нить и мельче частички ее распада. Экспериментальные исследования Барановского Н.В. показали, что гидродинамические условия определяют эффективность гомогенизации. Эти условия в основном определяются давлением гомогенизации и конструкцией гомогенизирующей микрощели.
Теория Барановского Н.В. была первым научно-обоснованным объяснением механизма гомогенизации в клапанных гомогенизаторах. Но в настоящее время потребовалось более подробное изучение данного механизма гомогенизации. Это связано в основном с созданием многофазных тонкодис персных систем [6, 9, 12-22]. При разработке новых продуктов на основе синтеза растительных и молочных жировых компонентов возник вопрос о влиянии их физических свойств (вязкости, плотности, поверхностного натяжения) на параметры гомогенизации [31]. Это способствовало постановке более подробных исследований данного механизма. Фроловым СВ., Арсень-евым Т.П., Куцаковым В.Е. [31] проведен подробный анализ существующих гипотез о природе механизма гомогенизации, сгруппированы и экспериментально исследованы три основные гипотезы. Согласно первой гипотезе разрыв жировых шариков происходит в момент разгона смеси перед входом в клапанную щель за счет большого градиента скорости. По второй гипотезе Архимедова сила, возникающая за счет разности плотностей жира и воды, является фактором, разрушающим шарики перед входом в микрощель. По третьей гипотезе дробление шариков идет в самой щели при существенном влиянии вязкости. Для каждой гипотезы выведена зависимость среднего диаметра жирового шарика от параметров процесса. Согласно первой гипотезе диаметр раздробленных частиц вычисляется по формуле:где к - безразмерный коэффициент, зависящий от конструкции гомогенизирующей головки, р - плотность эмульсии, а- поверхностное натяжение, Q - расход поршневого насоса, L -размер щели.
По второй гипотезе диаметр раздробленных частиц определяется формулойгде Ар - разность плотностей жира и плазмы.Исходя из того, что частицы дробятся по третьему механизму, их раз мер определяется соотношением где ] - динамическая вязкость смеси. На основании экспериментальных исследований Фроловым СВ. сделан вывод о том, что вязкость смеси и разность плотностей жира и плазмы не оказывают существенного влияния на гомогенизацию. Таким образом подтверждена справедливость только первой гипотезы, основоположником которой является Барановский Н.В.
Анализ соотношения (1.3) показал, что способы совершенствования клапанных гомогенизаторов должны быть направлены в основном на увеличение давления перед клапаном и уменьшение расхода жидкости. При этом предельные значения допустимого давления гомогенизации определяются не только характеристиками насоса, но и величиной зазора между седлом и клапаном.Проанализируем эти результаты.
Пусть эмульсия движется вдоль сужающегося канала. Частица дисперсной фазы диаметром d изображена на рисунке 1 . Скорости правой и левой границ этой частицы соответственно равны V2 и V]. Скорость V2 превышает скорость Vj в соответствии с уравнением неразрывности потока, pVF = const на величину относительного уменьшения площади канала F. Записав это уравнение для сечений 1 и 2, получимили
Изменение скорости потока вдоль канала, то есть вдоль оси х, можно характеризовать градиентом dV/dx. Используя эту характеристику, разность скоростей V2 и V] можно представить в видеСогласно этой формулы приращение скорости передней части капли относительно задней ее части является ограниченной величиной, зависящей
Статистическая обработка результатов экспериментального исследования размеров частиц в молоке
При обработке полученных экспериментальных данных выявляется вид распределения случайной величины. Большинство распределений встречающихся на практике, при увеличении объема выборки асимптотически приближаются к нормальному, которое достаточно хорошо изучено. В данном случае объем выборки мал (N=10 - число повторений каждого опыта), поэтому требовалась проверка нормальности распределения отклонений от истинного значения.
Статистическая обработка включала различный объем выполняемых операций из следующего их набора: 1) представление результатов в виде статистического ряда, 2) отбраковка грубых промахов, 3) вычисление точечных несмещенных оценок математического ожидания и среднего квадратического отклонения, 4) вычисление интервальных оценок этих величин с заданной надежностью (доверительной вероятностью), 5) вычисление специальных случайных величин, коэффициентов корреляции пар случайных величин и других статистических параметров, статистической значимости различий заданных пар. Расчет числовых характеристик нормального статистического распределения математического ожидание M(Y), дисперсии D и среднеквадратиче-ского отклонения а проводился по формулам: Следуя одному из способов отбраковки грубых погрешностей, сначала рассчитывались параметры нормального закона распределения и проверялось попадание каждого результата измерений в интервал Если неравенство выполнялось, то соответствующий член статистического ряда сохранялся; в противном случае - отсеивался. После его исключения моменты распределения M(Y) и a(Y) пересчитывались. Если закон распределения экспериментальных данных заранее не определен, то грубые погрешности измерений отбраковывались по непараметрическому критерию К, равному Если проверке на отбраковку подвергается максимальное значение вариационного ряда, критерий К определялся по формуле Здесь Ymax, УтіП; Ycp - максимальное, минимальное и среднее с проверяемым значением члена вариационного ряда. Максимальное или минимальное значение членов вариационного ряда отбраковывались, если выполнялось неравенство непараметрического критерия. Доверительный интервал - интервал значений параметра J, в который он попадает с доверительной вероятностью (3, вычислялся по формуле где tp - величина, которая определялась как значение аргумента функции Лапласа. Доверительные границы математического ожидания определялись по формуле Доверительные границы для среднего квадратического отклонения для нормального распределения и закона равномерной плотности определялись по формулам Для определения достоверности различий двух случайных величин каждая из них оценивалась интервальной оценкой с определением доверительных интервалов. Оцениваемые величины можно считались доверительно различающимися, если их доверительные интервалы не перекрывались. При экспериментальном наблюдении, проводимом при помощи микроскопа, исследовалось количество частиц, приходящихся на единицу площади, и определялись их размеры при разведении необработанного и гомогенизированного молока в воде в пропорции 1 к 40 (число исследований N=7). Для каждого измерения составлялся вариационный ряд из 10 членов, он и подвергался статистической обработке. По результатам статистической обработки составлены графики, приведенные рисунках 2.7...2.20. Данные этих графиков использованы на рисунках 2.4 ... 2.6 ния
Рисунок 2.10- Среднеквадратическое отклонение размеров жировых частиц в молоке и границы его доверительного интервала через 32 часа после дойки в молоке и границы его доверительного интервала через 72 часа после дойки Рисунок 2.13 — Математическое ожидание размеров жировых частиц и границы его доверительного интервала в молоке, обработанном в клапанном гомогенизаторе типа через 32 часа после дойки Рисунок 2.14 - Среднеквадратическое отклонение размеров жировых частиц и границы его доверительного интервала в молоке, обработанном в клапанном гомогенизаторе типа через 32 часа после дойки Рисунок 2.15 - Математическое ожидание размеров жировых частиц и границы его доверительного интервала в молоке, обработанном в клапанном гомогенизаторе через 72 часа после дойки Рисунок 2.16 — Среднеквадратическое отклонение размеров жировых частиц и границы его доверительного интервала в молоке, обработанном в клапанном гомогенизаторе типа через 72 часа после дойки исследования Рисунок 2.17 - Математическое ожидание размеров жировых частиц и границы его доверительного интервала в молоке, обработанном в ультразвуковом диспергаторе типа через 32 часа после дойки Рисунок 2.18 - Среднеквадратическое отклонение размеров жировых частиц и границы его доверительного интервала в молоке, обработанном в ультразвуковом диспергаторе типа через 32 часа после дойки
Расчет дробления частиц возмущениями
По результатам расчетов построены графики, изображенные ниже. На них показано изменение диаметра жировых частиц от времени обработки при различных параметрах возмущений давления.
На рисунках 3.4...3.7 показано изменение размера частиц при воздействии на них возмущений давления и скорости с частотой 16, 22, 44, 88 кГц и амплитудой 2МПа. Анализируя графики 1...4 (рисунок 3.4), можно сделать вывод, что размеры частиц с начальными диаметрами 5, 10, 15 мкм, в результате обработки возмущениями частотой 22 кГц, уменьшились до 0,139 мкм. Частицы диаметром 5 мкм начинают дробиться по прошествии 3,4-10"6 с, от начала обработки. Время начала дробления обозначено tH. Жировые частицы размерами 7...10 мкм начинают дробиться при =2,27-10-6 с, частицы размером 15 мкм-приґн=1,2-10 6с.
Рисунок 3.4 - Изменение размера жировых частиц в молоке при обработке возмущениями давления частотой f==22 кГц, амплитудой Ра=2МПа Из графиков 1...3, приведенных на рисунке 3.5, видно, что частицы размерами 5... 15 мкм, в результате гомогенизации возмущениями частотой 44 кГц дробятся до частиц диаметром 0,135 мкм. Частицы размером 5 мкм дробились при ґ„=1,2-10" с, частицы размером 10 мкм - при ґн=0,85-10" с (дробление длится 0,3510" с), частицы размером 15 мкм - при ґя=0,55 10" с (дробление длится 0,65 10"6с).
Рисунок 3.6 - Изменение размера жировых частиц в молоке при обработке возмущениями давления частотой =88кГц, амплитудой Ра=2МПа На рисунке 3.6 показана зависимость диаметров частиц от времени обработки при гомогенизации возмущениями давления частотой 88 кГц. Частицы размерами 5... 15 мкм дробятся до частиц размером ОД33 мкм. Дробление частиц диаметром 5 мкм начинается при ґн=0,55-10"6 с (дробление длится Рисунок 3.7 - Изменение размера жировых частиц при обработке возмущениями давления частотой ґ=16кГц, амплитудой Ра=2МПа
На рисунке 3.7 приводятся данные о дроблении частиц диаметрами 5... 15 мкм, при гомогенизации возмущениями давления частотой 16 кГц. В результате обработки жировые частицы в молоке дробятся до ОД 4 мкм, дробление частиц диаметром 5 мкм наступает при =3,25-10"6 с, частиц диаметром 10 мкм - при /,,=2,35-10-6 с, частицы диаметром 15 мкм - при ґ„=1,52-10"6с.
Анализ графиков, изображенных на рисунках 3.4...3.7 показал, что с увеличением частоты от 16 до 88 кГц tH (время начала дробления) уменьшается. Дробление частиц идет за первый период колебаний. При сравнении времени начала дробления частиц размерами 10 и 15 мкм и частиц размером 5 мкм, видно, что чем больше размер частицы, тем раньше она начинает дробиться.
Рисунок 3.8 - Изменение размера жировых частиц в молоке при обработке возмущениями давления частотой ґ=22кГц, амплитудой Ра=5МПа Результаты расчетов изменения размеров частиц при гомогенизации колебаниями частотой 16...88 кГц, амплитудой 5 МПа приведены на рисунках 3.8...3.11. На графиках рисунка 3.8 показано изменение диаметров частиц размерами 5... 15 мкм при обработке колебаниями частотой 22 кГц. В процессе гомогенизации происходит дробление частиц до 0,02 мкм. Частицы диаметром 5 мкм начинают дробиться при ґн=1,410"6 с, частицы диаметрами 10...15 мкм-при ґя=0,7510"6 с. чо О о
Рисунок 3.9 - Изменение размера жировых частиц при обработке возмущениями давления частотой =44кГц, амплитудой Ра=5МПа Из рисунка 3.9 видно, что при гомогенизации колебаниями частотой 44 кГц амплитудой 5МПа диаметры жировых шариков меняются от 5, 10, мкм до 0,02 мкм, жировые частицы размером 5 мкм дробятся при tH ==0,57106 с, частицы размером 10 и 15 мкм - при ґн=0,37-10 6 с. Время дробления частиц размером 10 и 15 мкм составляет 0,2-10"6 с.
Рисунок ЗЛО- Изменение размера частиц при обработке возмущениями давления частотой f=88 кГц, амплитудой Ра=5МПа Данные о дроблении частиц размерами 5... 15 мкм в результате обработки возмущениями частотой 88 кГц приведены на рисунке ЗЛО. В процессе гомогенизации размеры частиц меняются от 5,10,15 мкм до 0,018 мкм. Дробление частиц диаметром 5 мкм наступает при /,=0,26-10"6 с, дробление частиц диаметрами 10 и 15 мкм - при /,/=0,18-10"6 с (длительность дробления этих частиц равна 0,08-10 с).размера жировых частиц при обработке возмущениями давления частотой =16кГц, амплитудой Ра=5МПа Из графиков, изображенных на рисунке ЗЛО, можно определить, что при обработке молока ультразвуковыми возмущениями частотой 16 кГц происходит дробление частиц размерами 5... 15 мкм до 0,022 мкм. Время начала дробления частиц размерами 5, 10 и 15 мкм соответственно равно 2-Ю"6, 1,23-10"6 с. Частицы диаметрами 10 и 15 мкм дробятся за 0,77 с.
Анализ графиков, приведенных на рисунках 3.8...3,11, показал, что с увеличением амплитуды возмущений давления время начала дробления уменьшается, например при гн=10 мкм, частоте =22000 Гц, Ра=2МПа H=2,27-10" , при Ра=5МПа - tH=0,7510 6c. С увеличением амплитуды возмущений давления уменьшается размер частиц после обработки, например при ґ=22кГц начальный диаметр частиц, равный 5 мкм меняется при Ра=5МПа до гк=0,02 мкм, при Ра=2МПа - до гк=0,139 мкм.
При изменении плотности жира (при уменьшении плотности) уменьшается сорванная с частицы масса.Данные по изменению размеров жировой фазы молока при обработке возмущениями частотой 22 КГц и амплитудой 0,45 МПа представлены на рисунке 3.12. Из этих графиков видно, что меняются размеры жировых шариков от 5, 10, 15 мкм до 1,63 мкм, при этом время начала дробления частиц размером 5 мкм равно 0,33-10"6 с, частиц диаметром 10 мкм - 2,23-10"6 с, частиц размером 15 мкм -1,25-10"6 с.
Исследования механизма гомогенизации ударными возмущениями
Схема экспериментальной установки для изучения воздействия ударных одиночных возмущений с каплями, созданной для достижения поставленных целей, представлена на рисунке 4.1, а ее фотография - на рисунке 4.2. Установка включает: длинную ударную трубу, свернутую полукругом, прямоугольную камеру с окнами на одном из ее концов, устройство для создания и ввода в трубу ударных импульсов давления, устройства ввода масляных капель в прозрачную камеру. Длинная ударная труба служит для прохода по ней ударных импульсов давления и для устранения из поля зрения отраженных волн давления.
Отраженные волны давления появляются за счет отражения от противоположного конца трубы и возращения их в зону эксперимента. При длинной трубе за время эксперимента отраженные возмущения не успевают возвратиться в зону эксперимента.
Прямоугольная прозрачная камера на одном из концов ударной трубы служит для реализации в ней экспериментов и наблюдения за ними. Для этого в ней установлены окна, через которые начальная часть ударной волны может фотографироваться.
В нижней части прозрачной трубы в нее вводится игла шприца, через которую в камеру поступает минеральное масло. После ввода масла в камеру его струя разбивается на ряд капель, всплывающих в воде. Достигнув ее верхнего уровня капли растекаются по поверхности воды. Поступление масляных капель внутрь прозрачной камеры побуждается нажатием на поршень шприца. Устройство создания и ввода в камеру ударных импульсов представляет собой камеру, отделенную от ударной трубы разрывной мембраной. Камера наполняется воздухом до давления 0,3...2 МПа. После наполнения разделяющая мембрана прорывается нажатием бойка. В результате формируется ударная волна, выходящая в ударную трубу.
Параметры ударной волны в ударной трубе измерялись с помощью измерительной системы, содержащей тензометрический датчик давления, тензометрический усилитель «ТА-5» и шлейфовый осциллограф HI 17/1, используемый в качестве регистратора. Записи осциллографа расшифровывались с помощью тарировки используемых датчиков давления в статических условиях.
Процесс взаимодействия ударной волны и масляных капель регистрировался скоростной кинокамерой СКС-1А, а также видеокамерой.
Данные эксперименты проводились в 7 серий, по 6 опытов в каждой. Первая серия проводилась при интенсивности возмущений давления Ра = 0,3 МПа , вторая серия - при Ра =0,4 МПа, третья - при Ра =0,45 МПа, четвертая - при Ра = 0,5 МПа, пятая - при Ра =1 МПа, шестая - при Ра = 1,5 МПа, седьмая - при Ра =2МПа. Первые три опыта каждой серии выполнялись при температуре 20С, последующие опыты проводились при температуре 60... 70С.
Последовательность экспериментов следующиая.1. Собирается испытательный стенд. Производится отладка измерительных систем и подготовка регистрирующего оборудования (светолучевого осциллографа HI 17/1 и скоростной кинокамеры СКС-1 А),2. Нижняя часть ударной трубы заполняется водой до мембраны.3. С помощью термометра измеряется температура воды в емкости.4. В верхней части ударной трубы при помощи насоса создается трбуемое давление, измеряемое манометром.5. Устройство для подачи минерального масла в водяную среду, в качестве которого используется медицинский шприц, заполняется минеральным маслом и устанавливается в специальное гнездо.6. Включается тензометрический комплекс.7. В водную среду вводятся с помощью шприца капли минерального масла.8. Нажатием на ручку поршня осуществляется прорыв мембраныударной трубы, одновременно с этим включается скоростная кинокамера.9. Проводится съемка процесса (при съемке на кинокамеру используется кинопленка шириной 16 мм). В это же время проводится регистрацияизменения давления тензометрическим комплексом на фотобумагу УФ-67.10. Осциллограммы проявляются искусственным светом.11. Детали установки очищаются от минерального масла.12. Кинопленка проявляется с использованием специального оборудования и реактивов.13. Изготавливаются черно-белые фотографии.14. Проводятся необходимые расчеты.15. Проводится анализ фотографий и сравнение полученных результатов с результатами предыдущего эксперимента и с результатами эксперимен Анализ рисунка 4.4 показал, что дробление ударными возмущениями интенсивностью 0,4...2 МПа идет путем срыва поверхностных слоев. На рисунке 4.5 показана зависимость радиуса раздробленных капель от интенсивности возмущений давления. Пересчет натурного эксперимента на условия дробления частиц молочного жира [100 - 105]велся по формуле расчетрасчет экпер.
Из графика, изображенного на рисунке 4.5 видно, что при возмущениях менее 0,4 МПа частицы диаметром 5 мкм не дробятся.
